江西省高山風場風能資源評價中風切變指數的研究

彭王敏子，陳勝東，姚 琳

(江西省氣象科學研究所，330046，南昌)

江西省高山風場風能資源評價中風切變指數的研究

彭王敏子，陳勝東，姚 琳

(江西省氣象科學研究所，330046，南昌)

利用高山風場70 m高度測風塔觀測數據，研究江西省高山風場風切指數變化特征。描述及總結了3處高山風場的風切變指數的日變化、月變化、季節變化特征及規律。分析結果表明地形和地表粗糙度是影響江西省高山風場風切變指數的主導因素。該結果能為江西省高山風電場的設計運行提供可靠的參考。

高山；風能資源評價；風切變；指數計算

0 引言

風力發電主要是利用近地層中風的動能資源，而近地面層風速因大氣運動自身特性以及下墊面環境的影響，往往呈現氣流隨高度的不均勻分布特性，輪轂高度處的風切變成為風力發電機組承受的最基本外部載荷條件，風切變不但是制約風機性能的重要參數，而且是影響風電效益發揮的重要因素[1]。風切變對風力發電有負面和正面的影響，負面影響主要表現在：如果風切變過大，則在葉片掠面上的風力載荷分布非常不均衡，這將在一定程度上影響到葉片和機艙的使用壽命安全。正面影響主要體現在風切變越大有利于通過提高風機輪轂高度獲取更多的風能[2]。我國地域廣闊，各地地形千差萬別，大環流形勢也不盡相同，切變指數往往存在較大差異，此外，不同季節。同一天不同時段風切變指數也存在差異。要進行風電場科學、合理布設，需要掌握不同狀況下風切變的特征和變化規律。目前，對風切變的研究應用大多是在大氣污染控制以及對飛機起降的安全控制等方面，針對風電場建設運行的風切變特征研究較少，江西省風能資源的評估及特性研究也主要是針對鄱陽湖地區[3]。本文利用江西省高山風場3座70 m高度測風塔一年完整觀測數據，研究江西省高山風場風切變指數變化特征，為江西省高山風電場的設計運行提供技術支撐，對加強風能開發利用具有實際意義。

1 風切變指數定義

風切變是指風矢量在垂直方向上的空間變化。在近地層中，風速隨高度有顯著變化，造成風在近地層中的垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應，即地面的粗糙度，后者主要表現為近地層大氣垂直穩定度的關系。當大氣層結為中性時，湍流將完全依靠動力原因來發展。風切變冪律表示近地層風速隨高度呈指數變化的規律。風電場選址時普遍使用指數律[4]，即：

v2=v1(Z2/Z1)α

(1)

α=(lnv2-lnv1)/(lnz2-lnz1)

(2)

式中：α為風切變指數；v2為高度Z2的風速(m/s)；v1為高度Z1風速(m/s)。

本研究中10～70 m相鄰各層10～30 m、30～50 m、50～70 m間的風切變指數直接按式(2)計算。另外10～70 m間的綜合切變指數可用各測風塔4個高度平均風速用冪指數擬合法進行計算。

2 數據來源

選用江西省高山風電場內3個測風塔連續1年的測風數據進行分析，測風塔詳細信息見表1。根據《風電場風能資源評估方法》(GB/T18710-2002)標準，對3個測風塔數據的一致性、合理性進行判別，并且對重大天氣過程，如強冷空氣、熱帶氣旋等天氣條件下風速的合理性進行判斷，挑出符合實際情況的有效數據，回歸原始數據。根據測風塔的相關關系以及可供參考的傳感器同期記錄數據，經過分析、處理、替換、整理出測風塔連續一年的實測風速風向數據，使其有效數據完整率達到100%。

表1 測風塔情況一覽表

3 結果分析

3.1風速隨高度的變化差異

大氣邊界層的風場分布除受到大型天氣系統的影響外，更受地形作用、下墊面性質不同引起熱力作用等影響，是3種因素共同作用的結果，使得風場具有獨特的垂直、水平結構，并有明顯的時間變化[5]。

圖1為3個測風塔年平均風速隨高度的變化曲線。從圖1可以看出：水槎和桃花尖風場處的風速隨高度的變化較為一致。低層10～30 m高度有明顯的增大趨勢。之后的30～70 m高度風速增大趨勢不明顯，部分高度層甚至有下降的趨勢。海拔高度最高的鉤刀咀風場整體風速高于其他2個風場，且風速隨高度的變化趨勢也明顯不同：10～70 m高度風速隨高度逐漸增大。

圖1 不同測風塔各層高度的風速垂直變化曲線

3.2風切變指數計算及擬合

通過風切變指數進一步分析上述3個風場風速隨高度變化趨勢程度。分別用實測風速指數律計算法和各高度層平均風速冪指數擬合法對風切變指數進行了計算。表2為用公式(2)計算而來的3座測風塔各高度實測風切變指數。挑選的是50 m高度10 min的平均風速大于6 m/s時刻的數據，因為在50 m高度風速小于6 m/s時，風機只能產生很不穩定的發電量；并且風速大于6 m/s時刻的數據往往對應著大氣中性層結[6]。表2結果可以看出：總體來說風切變指數鉤刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈現低層風切變指數高，高層風切變指數低的規律。因為一般來說，近地層中最靠近地面的一層風切變最大[7]。但是鉤刀咀70～30 m層結的切變指數明顯高于低層10～30 m層結的風切變指數。分析原因可能是由于風流經過山脊、斷崖絕壁等地形時，某些高度層的風速會加速，將改變風廓線的形狀，進而影響不同高度的風切變指數[8]。

另外水槎70～50 m間、桃花尖70～50 m間的風切變均為負值，說明這些層間出現了負切變。以桃花尖風場為例分析出現負切變的原因，根據伯努利效應[9]，當氣流越過山脊時，氣流被壓縮并加速，但這個加速僅發生在山脊以上相對較薄的氣層內，故分析桃花尖測風塔這個位置這個較薄的空氣層的高度應該就在50 m之內。50 m高度之后沒有了加速效應，因此出現70 m高度的風速反而小的現象。

表2 各測風塔實測風切變指數

從表2還可以看出，70～10 m間的總切變指數介于相鄰層計算出的切變指數之間，各層間的風切變指數變化幅度和趨勢各有不同。因此，如果計算相鄰高度的風速時，則應用相鄰高度間計算得到的風切變指數；如果計算相差較大的高度間的風速時，則考慮使用總切變指數。

另外還可以將公式(1)做適當變換，令v2/v1為y，z2/z1為x，得到公式

y=mxα

(3)

然后就可以根據不同高度的平均風速擬合求出綜合風切變指數。先分別通過4個高度的平均風速繪制散點圖，然后用冪指數進行擬合，具體見圖2。得出3個風場相關方程分別為：

鉤刀咀Y=5.158 1X0.042 9，

水槎Y=2.506 3X0.186 1，

桃花尖Y=2.750 2X0.196 5。

用平均風速擬合法得到3個風場的綜合切變指數分別為：0.042 9、0.186 1、0.196 5。與用實測值計算的風切變指數接近。

圖2 3個測風塔風速隨高度變化的風切變指數擬合曲線

3.3風切變指數的日變化

圖3為高山風場3個測風塔全年風切變指數的日變化圖。從圖3可以看出：全天風切變指數波動較頻繁的是桃花尖風場，說明該處影響風切變指數的因素更為復雜。鉤刀咀風場海拔最高，地面粗糙度對風速的影響較小。使得其在測風塔處表現出梯度風變化較小。從總體看，3個測風塔處的風切變指數的變化均表現出日出前和日落后切變指數較大。這時由于從中午到傍晚大氣層結處于不穩定或中性狀態，大氣湍流混合租用更加明顯，從而導致上下層間動量交換頻繁，風速垂直梯度較小，而夜間溫度層結穩定，湍流弱，動量不易下傳，表現出上下層的風速垂直變率大。

3.4風切變指數的季節變化

圖4、圖5為3個高山風場風切變指數的月變化和季節變化情況。全年各月變化波動最大的是鉤刀咀風場，另2個風場年變化波動較相似。鉤刀咀海拔最高，山地地形有利于加劇近地層的大氣湍流交換作用，導致大氣層結更加不穩定，使得該處的風切變指數的波動更為頻繁。高強度的太陽輻射趨向于引起更大的大氣不穩定性和增強大氣層間的混合，使得在不同的大氣垂直層間的風速相對一致，導致低的風切變指數。在太陽輻射強度較低或者沒有太陽輻射的時間，大氣層趨向更穩定，因此層間很少或不混合，風速趨向于隨離地面高度增加而急劇增加，導致風切變指數增高。因此在不考慮地形和粗糙度的情況下，風切變指數應該是夏秋季偏低，冬春季偏高。如圖5所示，鉤刀咀和桃花尖風場秋季最小，夏季最大。水槎風場冬季最小，春季最大。切變指數并沒有表現出夏秋季偏低，冬春季偏高的一般特點。這說明在復雜地形下，地形和地表粗糙度是影響局地風切變指數的主導因素。

圖3 風切變指數日變化

圖4 風切變指數的月變化

圖5 風切變指數的季節變化

4 小結

1)本文分別用實測風速指數計算法和平均風速冪指數擬合法計算了風切變指數，兩者結果相近。擬合出的70～10 m間的總切變指數介于相鄰層計算出的切變指數之間，各層間的風切變指數變化幅度和趨勢各有不同。因此，如果計算相鄰高度的風速時，則應用相鄰高度間計算得到的風切變指數；如果計算相差較大的高度間的風速時，則考慮使用總切變指數。

2)風切變指數鉤刀咀<水槎<桃花尖，且基本呈現低層風切變指數高，高層風切變指數低的規律。全天風切變指數波動較頻繁的是桃花尖風場，鉤刀咀風場測風塔處表現出梯度風變化較小。3個測風塔處的風切變指數的變化均表現出日出前和日落后切變指數較大。年變化波動最大的是鉤刀咀風場，另2個風場年變化波動較相似。鉤刀咀和桃花尖風場風切變指數秋季最小，夏季最大。水槎風場冬季最小，春季最大。

3)影響風切變指數的因素主要有地形、地表粗糙度、大氣層穩定性，其中地形和地表粗糙度是影響局地風切變指數的主導因素。

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TheStudyonWindShearIndexofWindEnergyResourceAssessmentinJiangxiMountainWindField

PENGWANG Minzi,CHEN Shengdong,YAO Lin

(Meteorological Science Institute of Jiangxi Province,330046,Nanchang,PRC)

This paper study on the wind shear index change characteristics of mountain wind field in Jiangxi Province by using the observed data of 70-meter-high wind tower.Features and laws of diurnal,monthly and seasonal variation wind shear index of the three mountain wind field are described and summarized.The analysis show the topography and surface roughness are the main factors affecting the wind shear index in Jiangxi province mountain wind field.The result can provide reliable reference for the design and operation of Jiangxi province high mountain wind electric field.

mountain;assessment of wind energy resource;wind shear;index calculation

2014-07-14;

2014-08-14

彭王敏子(1982-),女，江西南昌人，碩士，工程師，主要從事氣候可行性論證與大氣環境影響預測評價。

江西省氣象局青年人才培養項目：“江西山地風場測風數據質量控制的優化研究”(編號:JXQX2014Q02)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.010

TK81

A

1001-3679(2014)05-0613-04